第4章 电容传感器.

1、第四章第四章 电容式传感器电容式传感器1 优点：优点： 结构简单、灵敏度高，动态响应好，抗过载能结构简单、灵敏度高，动态响应好，抗过载能力强，对恶劣条件适应性强，价格便宜。力强，对恶劣条件适应性强，价格便宜。2 电容式传感器的位移测量范围在电容式传感器的位移测量范围在1m10mm之之间，变极距式电容传感器的测量精度约为间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达达0.3 m。 电容式传感器的原理及结构形式电容式传感器的原理及结构形式 原理： 两金属板间的电容量为： 使被测量与其中一参数存在某种对应函数关系，

2、被测 量变化可由电容量变化反映出来。 结构形式: l 极距变化型电容传感器（d 变化）l 面积变化型电容传感器（S 变化）l 介值变化型电容传感器（ 变化）3dsc极距面积介电常数)/(smF板间距离d 4.1 极距变化型电容传感器（d变化）c近似为：设初始：d0、c0，当产生d时，4ddsc2ccddsc001020000001ddddsddddsdsddsccc 由 当d / d0 f0 时， 比 滞后大于270， ，U30， f越大，U3越大。3）当f f0 时， 比 滞后小于270， , U3Ur时，A1输出为低电平；当UDUr时，A2输出为低电平； R置0端，S置1端使Q和 端输出高

3、、低电平，通过R1和R2对C1和C2进行充放电。33Q初始状态:当有输入变化时，则：充电时间常数 使得c1、c2充电时间：T1T2, uA、uB脉冲宽度不再相等。Q和 输出是占空比随c而变的调宽脉冲波； 经低通滤波器滤波后,输出平均电压uAB： u触发器输出的高电平34ccc01ccc02ccRcRccRcR022220111121uTTTTuuuBAAB2121Q021ccc21RR 21当传感器有输入时，由式（5-8） 通常： 可知调宽脉冲的平均电压uAB正比于电容传感器c的变化.对于变极距差动电容器：对于变面积电容传感器：35ruuucRTln111uuucRTln222ucRcRcRc

4、RuuAB22112211212121RR ccc01ccc02uccuccccuAB02121udduAB0uAAuAB12cc36tuAuAuBuBuABuABUcUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U000iixxixIUj CIUj CII 37CxC0UiUoIiIxI00 ixCUUC 38如果传感器是平行板电容，则： xSCd可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。 上式是在运算放大器的放大

5、倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。00iCUUdS 4.6 电容传感器存在的问题及影响精度的原因电容传感器存在的问题及影响精度的原因 （1）温度对结构尺寸的影响 温度T变化，使电容器极距d，面积A发生变化，产生温度误差。 （2）温度对介电系数的影响 T，C； 空气和云母介电系数的温度系数近似为零。 （3）绝缘问题： 电容传感器电容量很小，从几个皮法到几百皮法，当电 源频率为几十KHz时，本身容抗达几兆欧几百兆欧；当 绝缘差时，相当于电容上并联了一个漏电阻。 可提高电源频率，来降低内阻，但 f 太高易带来寄生电容和外界干扰。39 （4）屏蔽问题屏蔽问题：

6、1）缩短传感器至测量线路前置级的距离，消除长电缆的影响。 集成化、小型化、一体化。 2）驱动电缆技术等电位屏蔽法。 即采用双层屏蔽电缆，用一个K=1的电压跟随器使传 输电缆的芯线与内层屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽 层的容性漏电，外层屏蔽层接地。40（5）激励频率和传输电缆的影响）激励频率和传输电缆的影响 集肤效应在高频电路中存在高频电流集中于导线表 面流动的现象。频率越高，集肤效应越严重。 f =1MHz时，层面：60m； f= 500MHz时，层面：3 相当于导线直径减小，R 当f 较低，电缆的L和R可忽略。 当激励频率f高时，等效电容CAB。 等效电容 ，当，则 CAB （6）边缘效应

7、）边缘效应： 边缘效应使灵敏度降低，且产生非线性。41LccjcjLccjLjZAB221111LccCAB2142适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。+-边缘效应: 消除和减小边缘效应43可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等位环等位环3 3+-电极电极1 1电极电极2 2 4.7 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、电容式微音器一、电容式微音器 由弹性膜与固定电极组成变极距型电容器。44 工作原理：工作原理： 声压弹性膜

8、变形dc，用于测量心音，心尖博动，动脉的脉动等。 当电容量按 变化时， 当 ，4500011cjRcjcjRZCtxdcddcddscsin0002txRcjjdRcvvisin1000010Rcdtxvvisin00txdsin00001iicvj c R vvi RRzj c R 二二. 电容式心输出量计：电容式心输出量计：46 三、电容式压差呼吸传感器三、电容式压差呼吸传感器 可测量流量、流速1流速压差变换： 恒量， 式中：流体密度流量： V1、V2 、P1、P2、F1、F2分别为横截面I、II处的平均流速、静压力、截面积。 只要测出P1、P2，算出V1、V2，就可求出流量： Q=F1V1 =F2V2472222112121VPVP2211VFVF 2压差电信号变换 压力差膜片位移差动电容变化电信号。48 四、电容式加速度传感器49ADXL-50电容加速度传感器505153电容式接近开关电容式